CƠ CẤU CHẤP HÀNH

CƠ CẤU CHẤP HÀNH

Trong hệ thống truyền động thuỷ lực thường sử dụng các xi lanh thuỷ lực chuyển động thẳng hoặc chuyển động lắc, cũng như động cơ thuỷ lực làm cơ cấu chấp hành để biến năng lượng của dòng chất lỏng thành chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay trên trục của động cơ.

 1. Cơ cấu chấp hành chuyển động thẳng 

Trong hệ thống truyền động thuỷ lực thường sử dụng các xi lanh lực để thực hiện các chuyển động thẳng tịnh tiến.

Xi lanh thuỷ lực. Trên hình 2 là sơ đồ của các loại xi lanh thuỷ lực: xi lanh tác động hai chiều (hình 2, a, b và d) và một chiều (hình 2, c).

Hình 2. Xi lanh thuỷ lực

Lực tác động vào cần đẩy của xi lanh P và tốc độ chuyển động v của nó được tính theo công thức

P = pf và v =Q/f,                                                 (21)

trong đó             Q                   – lưu lượng chất lỏng;

f1 =πD2/4     – tiết diện làm việc của xi lanh theo chiều thuận;

f2 = π(D2 – d2)/4     – tiết diện làm việc của xi lanh theo chiều ngược;

D và d     – đường kính của piston và cần đẩy.

Đối với xi lanh tác động một chiều thì tiết diện làm việc

f = πd2/4

Các loại xi lanh tác động một chiều chế tạo đơn giản vì chỉ phải gia công bề mặt d của piston trơn mà không cần phải gia công bề mặt trong của xi lanh.

Nếu xi lanh không đối xứng (hình 2, d) nối vào hệ thống thuỷ lực thì khoang cần đẩy luôn nối với đường cao áp còn khoang piston thay đổi, hoặc nối với đường cao áp hoặc nối với đường hồi, và có thể thực hiện chuyển động với tốc độ như nhau trong chiều thuận cũng như chiều ngược, hoặc khác nhau.

Từ hình 2, d ta thấy nếu

d =D/ sqrt(2)

tức là tiết diện của cần đẩy nhỏ hơn 2 lần tiết diện của piston thì tiết diện công tác của hai chiều là như nhau và bằng

f = πD2/4 – π(D2 – d2)/4 = πd2/4

Tương ứng là tốc độ chuyển động của piston và lực tác động vào cần đẩy về hai phía là như nhau. Có thể tăng tốc chuyển động của xi lanh không đối xứng bằng cách nối cả hai khoang của xi lanh bằng van phân phối có độ chờm âm như trên hình 3.

Hình 3. Xinh lanh thuỷ lực với van phân phối có độ chờm âm

Ở hai vị trí tận cùng (trái và phải) của con trượt, chất lỏng từ bơm đi vào các khoang phải và trái của xi lanh 1, đảm bảo tốc độ chuyển động của cần đẩy theo tiết diện làm việc (công thức 21). Ở vị trí trung gian của con trượt, đường hồi về bể bị đóng lại, hai khoang của xi lanh được nối với nhau qua khe hở của van. Lúc này áp suất trong hai khoang của xi lanh bằng nhau, nhưng tiết diện làm việc của khoang piston lớn hơn khoang cần đẩy vì vậy piston sẽ chuyển động sang phải.

Do chất lỏng trong trường hợp này chẩy từ khoang bên phải vào khoang bên trái của xi lanh, nên tốc độ chuyển động v của piston được xác định bằng lưu lượng Qb của bơm và lưu lương chẩy từ khoang bên phải vào bên trái của xi lanh Qđ.

Lực do cần đẩy tạo ra trong trường hợp này bằng

P = pb(πD2/4 – π(D2 – d2)/4)= pb (πd2/4)

Tiết diện làm việc của piston trong trường hợp này cũng bằng tiết diện làm việc của của cần đẩy và bằng

f = πd2/4

Vì vậy tốc độ chuyển động của piston trong trường hợp này bằng

vp = Qb/f =  4Qb / πd2

Trên hình 4, a biểu diễn sơ đồ xi lanh bậc, nhờ đó ta có thể tạo ra nhiều tốc độ chuyển động khác nhau của piston.

Hình 4. Xi lanh bậc

Khi cấp lưu lượng Qb với áp suất pb vào cửa a ta thu được tốc độ lớn nhất và lực đẩy nhỏ nhất:

v1 = 4Qb / πd2 ; P1 = pb (πd2/4)

Khi cấp lưu lượng Qb vào cửa b ta thu được tốc độ trung bình và lực đẩy:

v2 =4Qb/π(D2 – d2) ; P2 = pb.π(D2 – d2) / 4

Khi cấp đồng thời chất lỏng vào cửa a và b ta thu được tốc độ nhỏ nhất và lực đẩy lớn nhất:

v3 =4Qb / πD2; P3 = pbπD2/4

Tốc độ chuyển động ngược và lực đẩy

v4 = 4Qb / π(D2 – D12) ;  P4 = pb. π(D2 – D12) / 4

Xi lanh mô men. Khi cần tạo ra chuyển động quay qua lại với góc quay nhỏ hơn 3600, trong truyền động thuỷ lực thường sử dụng xi lanh mô men (hình 5).

Hình 5. Xi lanh mô men

Xi lanh mô men được cấu tạo bởi xi lanh 1 và rô to 2 gắn với cánh gạt 3. Khoang trong của xi lanh và rô to được ngăn bởi vách ngăn 4 cùng với phần tử làm kín 5.

Khi cấp chất lỏng với áp suất pp vào phía trên (hình 5, a) cánh gạt 3 và rô to 2 sẽ quay theo chiều kim đồng hồ. Góc quay của loại xi lanh một cánh gạt thường không lớn hơn 2700.

Mô men quay Mt trên trục của xi lanh với một cánh gạt bằng tích của lực P được sinh bởi độ chênh áp Dp = pp – pc với tiết diện làm việc F của cánh gạt trên cánh tay đòn r, điểm tác dụng của lực này đến tâm quay:

Mt = Pr = DpFr

Từ hình 5, a ta có tiết diện làm việc của cánh gạt

F =(D – d).b/2

và cánh tay đòn

r =  D/2 – (D – d) / 4 = (D+d) / 4

Ta thu được mô men quay

Mt = Pr = DpFr =∆pb. ((D-d)/2).((D+d) / 4)=∆pb(D2 – d2)/8

trong đó Dp = p1– p2 – độ chênh áp;

D và d – đường kính của xi lanh và đường kính của roto;

b – chiều rộng của cánh gạt.

Tốc độ góc w của rô to được xác định từ điều kiện cân bằng lưu lượng và thể tích chất lỏng cấp cho cánh gạt trong một đơn vị thời gian

Q = vF,

trong đó v – tốc độ thẳng của tâm áp cánh gạt.

Thay các giá trị

F = (D – d)b/2 và v = wtr = wt.(D + d)/4,

ta được

Q = wt.( (D + d)/4).( (D – d)b/2)= wtb(D2 – d2) / 8

Từ công thức này suy ra

wt = 8Q/( b(D2 – d2))

Mô men và tốc độ góc thực tế sẽ nhỏ hơn các giá trị tính toán vì có tổn thất do ma sát và rò rỉ chất lỏng và được biểu thị bằng hiệu suất cơ khí hck và hiệu suất thể tích htt

M = (∆pb(D2 – d2)/8).hck

w = ht. 8Q/( b(D2 – d2))

Để tăng mô men quay và giảm tốc độ góc, trong truyền động thuỷ lực thường dùng loại xi lanh nhiều cánh gạt (hình 5, b và c).

Mô men và tốc độ góc của xi lanh nhiều cánh gạt được tính theo công thức

M =  z.∆pb(D2 – d2)/8và w =8Q/( zb(D2 – d2)),

trong đó z – số cánh gạt, thường không quá 3.

 2. Cơ cấu chấp hành chuyển động quay

Cơ cấu chấp hành chuyển động quay trong trưyền động thuỷ lực được gọi là động cơ thuỷ lực, có kết cấu tương tự như bơm thuỷ lực cùng với van phân phối kiểu con trượt.

Chất lỏng cung cấp cho động cơ thuỷ lực có thể từ nguồn chung hoặc từ một bơm riêng biệt.

Đảo chiều quay của động cơ thuỷ lực được thực hiện nhờ van đảo chiều hoặc đảo chiều quay của bơm (hình 6).

Hình 6. Truyền động với động cơ thuỷ lực

Điều chỉnh tốc độ quay trên trục của động cơ thuỷ lực được thực hiện bằng cách thay đổi lưu lượng chất lỏng cung cấp cho nó nhờ van tiết lưu hoặc nhờ bơm điều chỉnh có thể thay đổi được lưu lượng (hình 6).

Công suất lý thuyết Nt và mô men quay Mt trên trục của động cơ được tính theo công thức

Nt = DpQt = Dpqn;

Mt = Nt / 2πn = Dpq / 2π  = 0,159Dpq                                    (22)

trong đó Dp = p1 – p2   – độ chênh áp trong động cơ thuỷ lực;

p1, p2   – áp suất ở cửa vào và cửa ra của động cơ;

q   – lưu lượng riêng của động cơ;

n- số vòng quay của động cơ.

Sự biến đổi năng lượng (áp năng thành cơ năng) trong động cơ thuỷ lực để tạo thành chuyển động quay thường đi đôi với tổn thất năng lượng do ma sát của các chi tiết và của chất lỏng.

Tương ứng với đó, mô men thực tế trên trục của động cơ thuỷ lực

M = Mt – DM

trong đó Mt – mô men lý thuyết của động cơ (không tính đến tổn thất ma sát và    sức cản thuỷ lực của chất lỏng);

DM – tổn thất mô men.

Tổn thất công suất cơ khí được xác định bằng hiệu số của công suất lý thuyết Nt và công suất thực tế N

DN = Nt – N

Các tổn thất này được đặc trưng bởi hiệu suất cơ khí hck và bằng tỷ số giữa công suất thực tế N trên công suất lý thuyết Nt

hck = N/Nt = 1 -∆N/Nt

hoặc

hck = M/Mt = 1 -∆M / Mt

Đối với động cơ thuỷ lực công suất trung bình (10 – 100 sức ngựa) hck có giá trị trong khoảng

hck = 0,92 – 0,96.